电动管道风扇电机冷却通道的设计与多目标优化

《International Communications in Heat and Mass Transfer》：Design and multi-objective optimization of the motor cooling channel for electrically driven ducted fans

　　

摘要

电驱动的风管风扇是电动垂直起降（eVTOL）飞机的重要推进单元，其高功率密度电机的热性能直接影响系统的可靠性和结构集成。传统的液冷系统需要复杂的配件，并存在泄漏风险，而传统的空气冷却则会引入额外的空气动力损失。本研究提出了一种高度集成的引风冷却方案，该方案从主气流中抽取空气进行冷却。在后转子轮毂中集成了外环形通道和内轴向通道，使得高压下游气流能够同时冷却定子核心表面和内部。对于典型的150千瓦电驱动风管风扇电机，比较了四种冷却方案：原始的垫圈冷却设计、表面通道冷却、内通道冷却以及结合表面与内通道的冷却方式。结合冷却方案显示出协同冷却效果，将最大核心温度从497开尔文降低到454开尔文，降低了8.7%，而引风质量流量比例仅为0.34%，电磁损失仅增加了28瓦。随后使用克里金替代模型和多目标遗传算法优化了通道几何形状。优化后的设计进一步将最大核心温度降低到390.1开尔文，降低了21.5%，同时引风比例增加到0.36%，电磁损失增加了约40瓦。所提出的方案在降低电机热量的同时，空气动力和电磁方面的损失很小，为高度集成的电驱动风管风扇电机的冷却通道设计和多学科优化提供了实用参考。

引言

电驱动风管风扇（EDF）推进系统由风管风扇、电动机和电机控制系统组成。与传统基于螺旋桨的推进系统相比，风管风扇在相同的功率和尺寸限制下可以提供更大的推力、更低的噪音和更好的运行安全性。因此，它们已成为电动垂直起降（eVTOL）飞机的一种有前景的推进技术[1]、[2]。与传统的涡扇发动机不同，EDF系统使用电动机连续驱动风扇。因此，电机的稳定运行对推进系统的整体性能和可靠性至关重要[3]。在运行过程中，电磁损失会在电机内部产生热量，从而导致电机温度升高。过高的温度可能导致永磁体退磁、效率下降、绝缘材料老化，甚至电机故障[4]。目前的电机冷却技术主要依赖于液冷或液气混合冷却系统[5]。虽然液冷在许多工业应用中对于高功率电机非常有效，但由于额外的重量、系统复杂性以及所需的管道网络和冷却剂储液器的泄漏风险，其在航空电动推进中的应用受到限制[6]。相比之下，空气冷却系统结构简单，并且可以利用高速气流有效进行热管理[7]。

电动机的空气冷却策略通常可以分为两类：外部冷却增强和内部通风冷却。外部冷却增强通常采用集成在电机外壳中的冷却 fins 或热管，将热量从电机核心传递到周围的气流中[8]。Li等人研究了 fins 的几何形状和排列对冷却性能的影响，并证明适当设计的 fins 可以有效降低电机温度[9]、[10]、[11]。Xu等人提出了一种多层波浪形 fins 结构，并报告了显著的散热性能提升[12]。然而，在风管风扇内部安装 fins 可能会干扰主流气流，从而降低空气动力性能。热管通过蒸发和冷凝过程传递热量，提供另一种热管理方法。Hu 等人在电驱动风管风扇的定子叶片结构中嵌入了热管，并利用主流气流来带走电机的热量[13]。他们的结果表明，热管的协调设计可以提高热传递性能。然而，热管的冷却覆盖范围受到高度集成风管风扇结构中有限空间的限制[14]。

内部通风冷却通常可以分为使用辅助风扇的主动冷却和使用来自主气流的引风的被动冷却[15]、[16]、[17]。先前的研究表明，辅助风扇可以有效降低电机温度[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。然而，它们会增加系统重量、功耗和结构复杂性[23]，这与 eVTOL 推进系统所要求的高度集成和紧凑性相悖[24]。相比之下，被动冷却方法利用推进系统内的压力差从主气流中抽取少量空气，并引导其通过电机，而无需额外的耗电设备。Dinh 等人通过轮毂和中心体的开口引入冷却空气，使气流直接冷却电机外部表面[25]。Tang 等人从转子下游提取高压气流，并引导其流向定子核心的外表面进行冷却[26]。这种方法仅冷却电机的外部表面，在高热负荷下可能无法提供足够的冷却效果。为了进一步改善冷却性能，Cao 等人在定子核心中引入了通风孔，使气流能够更深入地渗透到电机内部，直接冷却发热区域[27]。他们的结果表明，内部冷却可以显著提高热传递效率。然而，没有考虑定子修改对电磁性能的影响。在风管风扇系统中，转子下游的气流具有高速度和大质量流量。通过在定子核心中引入适当设计的轴向冷却通道，可以利用这部分气流进行高效冷却，而无需额外的冷却设备。这种冷却通道可以通过在层压硅钢核心中形成通道并优化其几何参数来实现[28]。这种方法可以在保持最小空气动力和电磁损失的同时实现显著的热效益。

为了解决现有空气冷却方法的局限性，本研究提出了一种高度集成的引风冷却方案，该方案利用转子下游的高速气流。冷却通道集成在转子后轮毂区域，使少量高压气流进入定子表面通道和内部冷却通道。提取的气流直接带走电机内部产生的热量。作为初步评估，从热、空气动力学和电磁性能方面评估了四种冷却方案：原始的垫圈冷却、表面通道冷却、内通道冷却以及结合表面与内通道的冷却。根据优选的冷却方案，使用替代模型和多目标遗传算法优化冷却通道参数。目的是在最小化空气动力和电磁损失的同时提高冷却性能。所提出的方法为电驱动风管风扇推进系统中使用的高功率密度电机的热管理提供了一种有效的解决方案。

本文的其余部分组织如下：第2节描述了表面冷却通道的设计和验证；第3节比较了不同冷却通道方案的冷却效果、空气动力学和电磁性能；第4节优化了内部冷却通道的参数；第5节总结了主要结论并提出了未来的研究工作。

章节片段

引风冷却通道的设计概念

本研究研究的电机是一款150千瓦的内转子永磁同步电机（PMSM），与电驱动风管风扇集成在一起。风管风扇和电机的几何模型和主要性能参数分别如图1和表1所示。该电机是根据参考文献[29]中总结的150-200千瓦级eVTOL风管风扇电机的性能要求和设计指南设计的。采用了48槽/8极配置，所有主要

代表性方案的比较分析

在所有三种情况下，表面通道冷却均未能达到目标温度。为了进一步提高冷却性能，在定子轭处增加了内通道冷却，如图5所示。进入表面通道的一部分空气向内侧转向内通道。考虑到转子后面的气流的周向转向角，内通道的旋转角度为 D，从出口到入口。内通道宽度为 W，长度为 L。

多目标优化过程

为了实现同时优化散热、空气动力学和电磁性能的最佳通道结构，本文提出了一种结合替代模型和多目标优化算法的优化设计框架。图11展示了这一优化过程的总体框架，主要包括以下三个步骤。

步骤1：建立内部冷却通道设计参数与性能之间的映射数据库

结论

本文提出了一种用于电驱动风管风扇电机的主管流引风冷却方案，并通过比较分析和多目标优化对其热性能、空气动力学性能和电磁性能进行了评估。主要结论如下：

• (1)
  为了满足150千瓦级电驱动风管风扇中高功率密度电机的散热要求，开发了一种主管流引风冷却配置。一个环形表面通道和轴向

CRediT 作者贡献声明

Kang Chen：撰写 – 原始稿、可视化、验证、方法论。Zhezhe Su：可视化、调查。Maoguang Xu：软件、数据管理。Bo Zhang：撰写 – 审阅与编辑、监督、形式分析。Jianfeng Zhu：资源、项目管理、资金获取。Yancheng You：资源。

资金来源

本研究得到了航空科学基金会（授权号：2025L039068001）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

Kang Chen|Zhezhe Su|Maoguang Xu|Bo Zhang|Jianfeng Zhu|Yancheng You